混凝土的渗透性与耐久性

混凝土的渗透性与耐久性

作者：李淑进赵铁军

摘要：渗透性是混凝土耐久性中最重要的内容。论述了混凝土耐久性的影响因素、研究方法，以及混凝土渗透机理和渗透性与耐久性的关系。

关键词：混凝土；耐久性；渗透性；相关关系

混凝土材料以其特有的优越性在建筑工程上得到广泛的应用。过去，由于历史、社会和人的主观认识等方面的原因，人们对混凝土结构的设计、选材、制作和养护等往往只重视强度而忽视了其耐久性，从而为混凝土结构以后的正常使用埋下了隐患，造成许多不良后果。混凝土结构一旦发生耐久性问题，其维修加固费用是十分巨大的，有时甚至不得不拆除重建。美国1975 年由于混凝土腐蚀引起的损失为700 亿美元，1985 年则达1680 亿美元，而今后每年用于维修或重建的费用预计高达3000 亿美元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达200 亿英镑（合280 亿美元），而日本目前每年用于房屋结构维修的费用为400 亿日元（合3. 3 亿美元）以上。

混凝土耐久性指标一般可通过实验室加速试验的方法获得。但传统的混凝土耐久性试验费力费时，加之当今的混凝土材料和技术研究进展迅猛，高性能混凝土的优越性能已经在重大工程中得到检验，混凝土的微观结构和化学成分已经有了很大变化，因此，过去的一些试验方法已变得越来越不适用。为此，一些学者致力于寻求快速且更能反映实际情况的耐久性试验方法。学者们从不同的角度、采用不同的方法研究混凝土的渗透性，观点也不统一，对非受力状态下混凝土的渗透性与实际混凝土结构不符的情况，也有人提出质疑。目前的共识是，混凝土的渗透性在一定程度上可以反映混凝土的耐久性。

1混凝土的耐久性及影响因素

1. 1混凝土的耐久性

按照AC I 201 委员会的定义，混凝土的耐久性是指对风化作用、化学腐蚀、磨耗或任何其它破坏过程的抵抗能力；耐久性的混凝土当露置于使用环境时将保持其原来的形状、质量和适用性。混凝土的耐久性从广义上说应包括：大气对混凝土的腐蚀（如干湿度、温度、冻融、碳化等）、水对混凝土的作用、碱骨料反应、环境水侵蚀和磨损等。

1. 2耐久性性影响因素及研究方法

M eh ta 教授在1991 年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会上指出：“当今世界，混凝土破坏的原因，按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”，“当今混凝土结构耐久性问题日益严重，除冰盐应用的日增，水、土、大气污染加剧，也有促进作用”。因此，混凝土的耐久性研究应该从混凝土材料本身以及所处的环境两方面来考虑。

混凝土通常不是在单一耐久性因素作用下受到破坏的，而是受到一种以上的侵蚀作用导致破坏加速的结果。过去偏重于采用分析方法进行单一因素的研究，往往脱离实际，于

是有学者提出了多因素研究的方法。近年来，出现了耐久性更好的高性能混凝土，但由于泌水减小和水胶比降低引起的收缩开裂加大，可能会削弱抗渗性的效果。因此，混凝土的耐久性也应该重视提高其体积稳定性，使混凝土不会由于开裂而失去高抗渗性。

2混凝土的渗透性

2. 1混凝土的微观结构与渗透性

混凝土是一种多相非均质材料，从微观上看是多孔结构，水通过这些孔隙在混凝土中渗透。一般认为，混凝土的渗透性越低，水及腐蚀性介质越不易渗入，即耐久性越好。通常采用的降低渗透性的措施都能提高混凝土的耐久性，诸如降低水胶比、使用矿物掺合料、延长养护时间等。特别是矿物掺合料（如硅粉、粉煤灰和矿渣等）作为胶凝材料加入混凝土中，能起到增大混凝土的密实度、改善混凝土的孔结构、细化孔隙的作用，能明显提高混凝土的渗透性。

2. 2混凝土渗透性的电学评价

人们习惯于用强度来衡量混凝土的综合质量，但对于高性能混凝土来说，耐久性比强度更重要。文献的研究证实了混凝土的强度不能反映渗透性，对高性能混凝土尤其如此。混凝土的电导率与其渗透性参数之间的关系可表示为：K =σV/σ

式中，σ为混凝土电导率；σp 为混凝土孔溶液的电导率；K 为反映混凝土孔隙情况的参数。研究证明，电学方法与渗水法所测结果相关性很好。有的方法在评价混凝土的其它耐久性指标方面也存在较大的潜力。相比而言，混凝土的电学性能指标的测量是快捷而精确的。文献已建立了用交流电测量混凝土渗透性的试验方法。

3渗透性与耐久性的关系

混凝土的耐久性包括许多内容，这些内容又受许多因素影响，且作用机理复杂，但其共同点是：它们都与混凝土的传质能力有关。混凝土材料的腐蚀大多是在有水及有害离子侵入的条件下产生的，混凝土的耐久性与渗透性有着密切的联系。

3. 1抗冻性与渗透性

干燥的混凝土不会遭受冰冻破坏。由于混凝土含水率存在一个临界饱和度，超过此值，且当混凝土暴露于低温下容易产生裂缝。混凝土经充分养护后含水率可能低于临界饱和度，但如果其渗透性较高，当暴露于潮湿环境时，可以再次达到或超过临界饱和度。

因此，对处于冻融环境中的混凝土，其渗透性非常重要。渗透性不仅控制着冻结时与内部水的移动有关的渗透压力，而且控制着冰冻前的临界饱和度，国外已有学者研究了混凝土的渗透性与冻融循环的关系。

一般来说，在混凝土中引入适量的封闭气孔可以大大改善其抗冻能力。由于引入的封闭气孔既可降低混凝土的表面渗透性，使混凝土不易饱水，又可以在冰冻时为水压力提供外逸边界，使得膨胀力减小，从而可以大幅度提高混凝土的抗冻融能力。

3. 2碳化与渗透性

由于混凝土的多孔性，大气中的CO 2 在浓度差的作用下通过混凝土由外向内扩散，与混凝土中的碱性物质发生反应，这个过程称为混凝土的碳化。碳化对混凝土的危害是多方面的，例如使混凝土的韧性降低、产生碳化收缩裂缝等，而最大的危害是使表层混凝土碱性降低，对保护钢筋不利。

混凝土碳化是一个缓慢的过程。碳化速度可用一定时期内的碳化深度来表示。碳化深度一般通过实验室加速碳化试验来测定。另外，根据CO 2 在混凝土中的扩散机理，很多学者都建立了预测混凝土碳化深度的数学模型。我们采用文献建立的碳化模型，预测了文献中所用混凝土的碳化深度，预测结果见表1。

由表1 可见，混凝土的Cl- 渗透深度x 和碳化深度D c之间相关性很好，相关系数为0. 858，相关程度为显著。由收集到的混凝土电性能指标（修正后的交流电阻）和用碳化模型预测的碳化深度反映这种关系也可得到同样的结果（图1），二者的相关系数为- 0. 734，相关程度也显著。以上分析表明，有可能利用混凝土的渗透性评价其抗碳化性能，并且因混凝土的交流电阻比Cl- 渗透深度更容易测量，用来评价混凝土碳化性能更具潜力。

3. 3钢筋锈蚀与渗透性

混凝土的高碱性使内部钢筋表面形成一层致密的钝化膜，保护钢筋不受腐蚀。CO 2通过表面渗入混凝土以后，同混凝土中的Ca （OH ）2 反应使之碳化，从而使混凝土碱性大大降低。随着混凝土碱性的降低，钢筋表面的钝化膜将变得不稳定，直至破坏。这样，失去保护的钢筋会在氧和水分渗入的情况下发生电化学腐蚀。由表1 数据计算可知，混凝土Cl- 渗透深度x 与钢筋锈蚀失重率K RW 之间相关系数为0. 671，相关程度稍差，这可能是因为数据来自不同研究者的试验，以及预测模型的误差造成的。已有研究者采用渗透性指标定性地评价混凝土的护筋性能（表2）。

氯离子的侵入是诱发钢筋锈蚀的又一个重要因素。当氯离子侵蚀至钢筋表面，且含量超过临界值时，造成局部钝化膜溶解，在水和氧气的存在下，诱发钢筋的电化学腐蚀。

4结语

混凝土材料的腐蚀主要是由于侵蚀性介质的侵入。渗透性决定了侵蚀性介质进入混凝土内部的速度，是影响混凝土耐久性最重要的因素。今后，可望利用渗透性指标评价其耐久性。